《先進材料》以汗液為電解液的可穿戴超級電容器!安全!

可穿戴系統和智能紡織品因在健康監測應急管理工作安全傢庭能源管理和自我健康管理等領域展現出巨大的應用潛力而受到廣泛關註。並且,隨著物聯網、虛擬/增強現實技術和機器人技術的發展,這種智能紡織品還可能將人類生活提升至新的水平。其中,柔性儲能器件更是為可穿戴設備提供有力能源供給,從而推動可穿戴系統的發展。然而,與傳統的儲能設備一樣,目前大多數柔性儲能(如電池和超級電容器)設備也使用瞭有毒的電解液,在可穿戴設備使用時存在安全風險,限制瞭其應用發展。

汗液中含有大量正負離子(如K+、 Na+和Cl-),可通過電極表面離子的吸收和擴散作用而參與到電化學反應中,因此被應用於生物燃料電池以及疾病監測的生物傳感器等領域。而這種離子反應在儲能器件中的應用潛力,使得汗液有望作為一種無毒、環保的電解液應用於可穿戴儲能設備中。

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基於此,英國格拉斯哥大學Ravinder Dahiya教授課題組采用聚酯纖維素織物作為基底和隔膜材料,聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸鹽)(PEDOT:PSS)作為活性電極,制備瞭以汗液為電解液的織物基柔性超級電容器(SCs)。纖維素織物的高吸收率使得器件能夠實現汗液的快速吸收。PEDOT:PSS活性材料同時具有電子導電與離子導電性、與織物的良好結合性能、易於低溫制備以及良好的生物相容性等優點,使其作為柔性SCs的電極具有極大的應用潛力。結果顯示,該工作中制備的織物基SCs具有優異的性能。並且將該電容器與汗液鹽度檢測的傳感器結合,實現瞭一種自供電可穿戴系統的構建。該方法對生物流體的利用,為開發新型可穿戴設備提供瞭一種全新的設計思路,有望推動可穿戴電子領域發展。

該工作以題目為“A Wearable Supercapacitor Based on Conductive PEDOT:PSS-Coated Cloth and a Sweat Electrolyte”發表在《Advanced Materials》(Adv. Mater. 2020, 1907254)上。

【圖文詳解】

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圖1可穿戴超級電容器結構示意圖及機制分析

本工作中基於PEDOT:PSS織物電極以及汗液電解液的可穿戴超級電容器(SCs)的結構示意圖及機制分析如圖1所示。帶電的PEDOT:PSS與纖維素/聚酯織物上羥基之間的強靜電和氫鍵相互作用使得兩者穩定粘附。並且由於織物內天然纖維素的存在,為PEDOT:PSS電極提供瞭良好的潤濕能力,有利於低量汗液電解液的浸潤。這些特性使得SCs的電化學性能顯著提高。此外,PEDOT:PSS共軛高分子膜的氧化還原反應和電極與電解液界面形成的高電化學雙電層電容進一步促進SCs性能的提高。

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圖2 織物電極的制備及形貌和結構表征

PEDOT:PSS織物電極的具體制備過程如圖2a所示,由於織物表面是凹凸不平的,該過程主要通過滴塗法完成。從掃面電鏡圖中我們看到整個織物表面PEDOT:PSS雖是不均勻分佈,但放大圖中纖維由PEDOT:PSS完全包覆,證明導電織物的成功制備。為瞭進一步提高織物電極的導電性,作者采用DMSO對PEDOT:PSS進行摻雜,從而更有利於提高SCs的性能。

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圖3 PEDOT:PSS織物電極基超級電容器電化學性能

超級電容器的電化學性能主要通過電化學阻抗譜(EIS)以及循環伏安法(CV)分析(圖3)。電化學阻抗譜結果細致分析瞭包括離子交換、電荷轉移、等效串聯電阻(ESR)和電容等性能。低頻區域直線表示離子擴散較慢,屬於電極的電容行為。

較低的阻抗值表示汗液中離子在PEDOT: PSS電極上良好的擴散行為,這與織物電極的多孔性也密切相關。EIS圖中高頻區域沒有半圓或電荷轉移電阻(Rct)值較小,也表明電極在與汗液電解質反應時具有較高的電導率。

並且由於共軛聚合物中的氧化還原反應和電極的高電導率,在PEDOT:PSS電極表面形成瞭贗電容和電化學雙電層,有效提高SCs性能。循環伏安法中高掃速下CV曲線呈現良好的矩形,表明該器件具有高功率密度的快速充放電特性。除瞭電容值外,器件的最大儲能也取決於工作電位窗口,因此作者也對電位窗口進行瞭優化。通過相關性能測試發現,該SCs表現出優異的電化學性能,包括高的比電容以及較高的功率密度,並且器件具有良好的機械穩定性。

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圖4基於汗液的超級電容器在實際應用中的性能

為瞭探索該器件的實際應用潛力,作者通過將器件集成到衣物上,分別測試瞭在不同出汗和運動條件下的兩個人衣物上SCs的性能(圖4)。第一個人是在公園跑步,由於人體出汗相對較少,隻能部分浸濕器件,因此SCs性能相較於第二個人(室內跑步機運動,汗液完全浸潤器件)差很多,表明該器件受汗液浸潤性影響較大。結果顯示,器件在汗液完全浸潤條件下測試性能較好,說明其確實具有實際應用價值。因此,在實際應用器件時,作者會將器件集成到吸水性更強的運動帶上,提高汗液對器件的浸潤性,從而獲得穩定的性能輸出。

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圖5 基於汗液超級電容器性能及電容器為汗液分析傳感器供能應用展示

該工作中提出的汗液為電解液、PEDOT:PSS織物電極基SCs與已發表相關工作相比具有優異的性能(圖5a),並且在排汗極低的情況下也具有不錯的性能,說明其具有實際應用價值。而為瞭進一步展示該器件的應用潛力,作者將該SCs與織物基汗液鹽度分析傳感器結合,SCs作為能源器件為傳感器供能。進一步地,再結合太陽能電池為SCs循環充電,從而構建一個自供電可穿戴系統(圖5c),可用於汗液分析,實現人體健康監測。

【總結】

總的來說,本工作提出的利用生物流體(汗液)作為無毒、環保的電解液構築可穿戴超級電容器的設計概念符合可穿戴儲能器件安全、可持續的制備需求,為新型可穿戴器件設計提供一種新思路。同時,基於汗液的能源器件與傳感器件的集成也使其在健康相關的可穿戴系統領域展現出巨大的應用潛力。

原文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201907254

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